應(yīng)用于STATCOM的級聯(lián)U-Cell拓撲直流電壓控制策略

王穎杰 薛道路 焦嵐軼 廖國強 齊東遷

Abstract：Compared with traditional cascade H bridge topology， cascaded U-Cell topology of static synchronous compensator （STATCOM） has few switch devices， low loss and good economic value. However， cascaded U-Cell also exists the problem of unbalanced capacitor voltage， which affects the system reliable operation in severe cases. A mathematical model of cascaded U-Cell is built for this problem， and the principle of capacitor charging and phase-capacitor voltage balance are analyzed in detail. Based on this， a control strategy combining redundant switching states rotation and active voltage vector superimposed by switching state is put forward in the paper， of which is extended to arbitrary odd number level. This strategy can make the device loss more uniform， achieved the balance of the capacitor voltage in the cascade U-Cell， and improve the reliability of the system. Finally， the simulation and experiment platforms of STATCOM based on five-level cascaded U-Cell topology are built to verify the correctness of the theory and control strategy.

Keywords：cascaded U-Cell;STATCOM;redundant switch state;switch state rotation;active voltage vector

0 引 言

無功功率補償是電力系統(tǒng)的重要組成部分，能夠校正功率因數(shù)，改善電壓調(diào)整率，提高系統(tǒng)動靜態(tài)穩(wěn)定性[1]。無功功率補償常用的拓撲是級聯(lián)H橋[2-3]。級聯(lián)U-Cell結(jié)構(gòu)是在級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進所得，輸出相同電平數(shù)時，級聯(lián)U-Cell可以使用更少的開關(guān)器件，且其通態(tài)損耗比級聯(lián)H橋少很多，因此總損耗明顯降低[4]。

級聯(lián)U-Cell中直流側(cè)電壓均衡控制直接關(guān)系到變流器交流側(cè)輸出波形質(zhì)量和變流器的動態(tài)響應(yīng)速度[5]。目前級聯(lián)U-Cell電壓均衡控制方法主要有以下兩種[6]：一種是調(diào)整變換器輸出電壓和相電壓相位差;另一種是脈沖輪換調(diào)制算法。文獻[4]通過改變電網(wǎng)相電壓和變換器輸出電壓之間的相位差實現(xiàn)無功補償，此種方法可以穩(wěn)定直流電壓但未能實現(xiàn)電容電壓的均衡。文獻[6]采用脈沖輪換的調(diào)制策略，在兩個調(diào)制波周期輪換對電容充放電。因為輪換周期較長，所以并未完全實現(xiàn)相內(nèi)電容平衡控制，同時此種方法只適用于五電平級聯(lián)U-Cell，普適性較差。

級聯(lián)U-Cell每個模塊為二端口，這與級聯(lián)H橋一端口模塊相比，相內(nèi)電容電壓平衡控制相對較復(fù)雜。本文從開關(guān)狀態(tài)輪換的SPWM調(diào)制算法和基于開關(guān)狀態(tài)疊加有功電壓矢量控制策略入手，分別解決由拓撲本身造成電容電壓不平衡，和各U-Cell單元損耗差異等造成的電容電壓不平衡問題。首先，建立五電平級聯(lián)U-Cell電容充電數(shù)學(xué)模型，從數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出開關(guān)狀態(tài)輪換的SPWM調(diào)制算法實現(xiàn)相內(nèi)電容電壓平衡的可行性，使器件損耗更均勻化。其次，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)疊加相應(yīng)有功電壓矢量到調(diào)制波，調(diào)整電容充放電時間，從而進一步解決相內(nèi)電容電壓不平衡的問題。采用零序電壓注入法解決相間電壓不平衡問題。最后通過仿真和實驗進行驗證。

1 級聯(lián)U-Cell拓撲結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

1.1 級聯(lián)U-Cell的拓撲結(jié)構(gòu)

級聯(lián)U-Cell是在級聯(lián)H橋拓撲基礎(chǔ)上進行的一些改進，改進過程如圖1所示。

在級聯(lián)H橋中，子模塊由一個電容和4個開關(guān)管組成，多個子模塊構(gòu)成了級聯(lián)H橋，且對應(yīng)位置的開關(guān)管滿足開通關(guān)斷互補的關(guān)系。在級聯(lián)U-Cell結(jié)構(gòu)中，子模塊有一個電容和兩個開關(guān)管構(gòu)成，且相鄰兩個模塊中的電容極性相反。半模塊中只有開關(guān)管，同樣在對應(yīng)位置的開關(guān)管需要開通關(guān)斷互補。

4 結(jié) 論

在輸出相同電平數(shù)的情況下，級聯(lián)U-Cell STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)使用更少的開關(guān)器件，降低了器件損耗，提高了補償效率，具有一定的研究意義。冗余開關(guān)狀態(tài)輪換的調(diào)制策略不僅解決了直流側(cè)電容電壓不平衡，使得器件損耗更均勻化，開關(guān)狀態(tài)疊加有功電壓矢量解決了因器件實際損耗差異等原因造成的不平衡，調(diào)制和控制的雙重調(diào)控，較好提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本文進行了仿真和試驗驗證，結(jié)果表明該方法控制效果良好，該方法是有效和可行的。

參 考 文 獻：

[1] 趙成勇，李丹，等.含有STATCOM的高壓直流輸電系統(tǒng)控制方法[J].高電壓技術(shù)，2014，40（7）：2440.

ZHAO Chengyong，LI Dan，et al.Control method of high voltage direct current transmission system containing STATCOM[J].High Voltage Technology，2014，40（7）：2440.

[2] BETZ R E，SUMMERS T，F(xiàn)URNEY T.Symmetry compensation using a H-bridge multilevel STATCOM with zero sequence injection[C]//Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting，Tampa，F(xiàn)L，2006.

[3] SONG W，HUANG A Q.Fault-tolerant design and control strategy for cascaded H-Bridge multilevel converter-based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010，57（8）：2700.

[4] SAU S，F(xiàn)ERNANDES B G.Cascaded U-Cell multilevel converter for STATCOM applications[C]//2015 17th European Conference on Power Electronics and Applications，Geneva，2015.

[5] 王志冰，于坤山，周孝信，等.H橋級聯(lián)多電平變流器的直流母線電壓平衡控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（6）：56.

WANG Zhibong，YU Kunshan，ZHOU Xiaoxin，et al.DC bus voltage balance control strategy of H bridge cascaded multilevel converter[J].Proceedings of the CSEE，2012，32（6）：56.

[6] BALIKCI A，AKPINAR E.A three-phase four-wire statcom with reduced number of switches for unbalanced loads[C]//10th IET International Conference on AC and DC Power Transmission，Birmingham，2012.

[7] BALIKCI A，AKPINAR E.A novel multilevel converter used for three phase STATCOM under unbalanced load[C]//International Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics and Electromotion， Joint Conference，Istanbul，2011.

[8] 楊擎.H橋級聯(lián)型STATCOM直流側(cè)電壓平衡策略研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

[9] 唐劍波.STATCOM控制策略與可靠性研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

[10] 徐榕，于泳，楊榮峰，等.H橋級聯(lián)STATCOM直流側(cè)電容電壓平衡控制方法[J].電力自動化設(shè)備，2015，35（5）：15.

XU Rong，YU Yong，YANG Rongfeng，et al.H bridge cascaded STATCOM DC side capacitor voltage balance control method[J].Electric Power Automation Equipment.2015， 35（5）：15.

[11] 田銘興， 閻宏， 趙雨欣，等.級聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電容電壓平衡控制方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2013， 37（9）：2632.

TIAN Mingxing，YAN Hong，ZHAO Yuxin，et al.A balancing control method of DC capacitor voltage for cascaded H-Bridge SVG[J].Power System Technology.2013， 37（9）：2632.

[12] 王松，談龍成，李耀華，等.鏈式星型STATCOM補償不平衡負載的控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（27）：20.

WANG Song，TAN Longcheng，LI Yaohua.Control strategy for unbalanced load compensation of chain like STATCOM[J].Proceedings of the CSEE.2013，33（27）：20.

[13] QIANG S，WENHUA L.Control of a cascade STATCOM with star configuration under unbalanced conditions[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（1）：45.

[14] LEE T C，CHEN C H，WANG W C，et al.A flexible DC voltage balancing control based on the power flow management for star-connected cascaded H-bridge converter[J].IEEE Transactions on Industry Applications， 2016， 52（6）： 4946.

[15] SUMMERS J T，BETZ E R，MIRZAEVA G.Phase leg voltage balancing of a cascaded H-Bridge converter based STATCOM using zero sequence injection[C]//13th European Conference on Power Electronics and Applications，Barcelona，2009.

[16] 季振東，趙劍鋒，孫毅超，等.零序和負序電壓注入的級聯(lián)型并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓平衡控制[J].中國電機工程學(xué)報，2013， 33（21）：9.

JI Zhendong，ZHAO Jianfeng，SUN Yichao，et al.DC voltage balancing control for cascaded grid-connected inverters by injecting zero-sequence and negative-sequence voltages[J].Proceedings of the CSEE，2013，33（21）：9.

（編輯：賈志超）